徐淑杰,張寧,譚麗萍*,劉同軍*

1(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 生物工程學(xué)院,山東 濟(jì)南,250353) 2(青島市食品藥品檢驗(yàn)研究院,山東 青島,266071)

菊芋在中國(guó)種植面積廣闊,自然資源豐富,且作為非糧作物,具有易栽培、高產(chǎn)量、抗逆性較強(qiáng)、可以廣泛適應(yīng)土壤和氣候條件等優(yōu)點(diǎn)[1-2],是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮纳镔|(zhì)資源。菊芋全株包括地上葉片和秸稈以及地下塊莖3部分,可以用于抗氧化劑、生物燃料、菊糖、低聚果糖等多種生物產(chǎn)品的開發(fā)。

菊芋葉片富含綠原酸、黃酮、多酚等重要的生物活性成分,已被證實(shí)具有多種功效以及藥用價(jià)值,例如抗腫瘤、抗氧化、降血脂、降血糖等功能[3]。菊芋秸稈是一種重要的木質(zhì)纖維素資源,秸稈中的結(jié)構(gòu)性碳水化合物(纖維素和半纖維素)可以用于生物乙醇等燃料生產(chǎn),是生物煉制的寶貴原料。菊芋塊莖富含菊粉、蛋白質(zhì)和淀粉等成分,菊粉作為一種可溶性膳食纖維,對(duì)人類飲食、營(yíng)養(yǎng)和醫(yī)藥產(chǎn)品等方面具有特殊價(jià)值[4]。

本文總結(jié)了菊芋全株生物制品的來(lái)源以及適用的生產(chǎn)技術(shù),回顧了目前國(guó)內(nèi)外菊芋資源開發(fā)的研究進(jìn)展,并討論了它們對(duì)菊芋未來(lái)生物精制的可行性。全面介紹了基于菊芋的可再生生物質(zhì)資源和生物基產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的最新進(jìn)展,旨在促進(jìn)菊芋產(chǎn)業(yè)更高附加值生產(chǎn)的新前景。

1 菊芋簡(jiǎn)介

菊芋又名洋姜、鬼子姜,屬菊科,葵花屬,是一種多年生的雙子葉草本植物[5]。由于其具有良好的抗寒、抗旱性和抵御病蟲害的能力,使得菊芋相較于大多數(shù)經(jīng)濟(jì)作物更具生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),能夠在環(huán)境惡劣的邊際土地生長(zhǎng),在歐洲、加拿大、北美等地區(qū)種植廣泛,我國(guó)的山東、青海、山西、黑龍江、江蘇、四川、寧夏和新疆等地區(qū)均有種植[6]。菊芋主要由葉片、莖稈以及地下部分的塊莖和根系組成。秋季開黃色小花,葉片為橢圓形,多毛,在莖的頂端附近互生,莖稈高約1～3 m,直立狀,有分枝,初期的幼莖粗壯多汁,有毛刺,隨著生長(zhǎng)周期變長(zhǎng),莖稈會(huì)木質(zhì)化。菊芋根系為纖維狀,可以有效從土壤中獲取養(yǎng)分,塊莖生長(zhǎng)在地下根部,由于品種、栽培條件、生長(zhǎng)周期等的不同,造成塊莖形狀差異很大,從節(jié)狀到圓形的簇狀不等,顏色主要有淡褐色、白色、紅色和紫色等[7]。

2 菊芋葉片高值化利用研究進(jìn)展

2.1 菊芋葉片的主要活性成分

菊芋葉片中富含多種生物活性物質(zhì),例如酚酸類、黃酮類、倍半萜類、多糖和氨基酸等[8],其中綠原酸類化合物、黃酮類化合物和倍半萜內(nèi)酯類化合物為主要活性物質(zhì),已被廣泛證實(shí)具有抗菌、抗炎、抗腫瘤和抗氧化的功能。菊芋葉中綠原酸含量為0.040%～2.139%[9],總類黃酮含量為49.4 mg/g DM～86.4 mg/g DM,差異較大,這與菊芋生長(zhǎng)階段和生態(tài)區(qū)域以及收獲時(shí)間有很大關(guān)系。通過(guò)分析菊芋全年生長(zhǎng)周期內(nèi)的綠原酸動(dòng)態(tài)含量,發(fā)現(xiàn)當(dāng)年11月份的菊芋葉片中綠原酸的含量最高,為1.52%[10]。因此,選擇適宜的區(qū)域和品種以及收獲周期有利于進(jìn)一步開發(fā)利用菊芋葉片資源。菊芋葉片提取物中富含倍半萜內(nèi)酯,倍半萜內(nèi)酯類化合物是目前最普遍的次級(jí)代謝物類別之一,YUAN等[11]在菊芋葉分離出一種新的倍半萜內(nèi)酯3-Hydroxy-8b-tigloyloxy-1,10-dehydroariglovin,同時(shí)評(píng)估了10種已知倍半萜內(nèi)酯的細(xì)胞毒性,對(duì)MCF-7、A549和HeLa癌細(xì)胞系進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,所有倍半萜內(nèi)酯對(duì)測(cè)試的癌細(xì)胞系都表現(xiàn)出有效的細(xì)胞毒活性。

2.2 菊芋葉片主要活性成分的提取

菊芋葉中主要生物活性物質(zhì)的含量與提取的工藝方法,如提取條件、提取溶劑、溫度和時(shí)間以及固液比有關(guān)。選擇適合的提取技術(shù)是獲得具有較高生物活性的化合物的必要條件。表1總結(jié)了菊芋葉片主要活性成分提取方法、最佳條件和提取效果。

表1 菊芋葉片主要活性成分提取方法及條件Table 1 Extraction methods and conditions of major bioactive substances of Jerusalem artichoke leaves

傳統(tǒng)的菊芋葉片活性成分的提取方法有水提取法、溶劑提取法。菊芋葉中的有機(jī)酚酸類化合物易溶于水,隨著溫度的升高化合物的溶解度增大。水提取法操作簡(jiǎn)單且成本較低,污染更小,但缺點(diǎn)在于提取效率低,后續(xù)處理困難。有機(jī)溶劑提取法相對(duì)于水提取法應(yīng)用較多,通過(guò)利用菊芋葉中的有效成分在不同溶劑中溶解度不同的原理,從而將目標(biāo)成分析出[20]。高明哲等[21]對(duì)比了3種不同溶劑對(duì)提取綠原酸的影響,認(rèn)為水醇混合溶劑是提取菊芋葉中綠原酸的最佳溶劑,通過(guò)正交試驗(yàn),得出最佳工藝條件為以pH值為3的60%乙醇,回流提取2 h。孫鵬程[14]采用甲醇加熱回流法提取,最佳條件為60%甲醇為溶劑,料液比1∶25(g∶mL),60 ℃下回流2次,每次0.5 h。使用乙醇、甲醇等有機(jī)溶劑提取的產(chǎn)品得率更高,純度更好,易于分離純化,但有機(jī)溶劑相對(duì)來(lái)說(shuō)成本較高,實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)化提取條件。

隨著提取技術(shù)的迅速發(fā)展,一些諸如微波輔助提取、超聲波輔助提取等提取技術(shù)也逐步應(yīng)用到菊芋葉片活性成分的提取中。微波輔助提取原理是利用微波均勻加熱含有目標(biāo)樣品的混合物,導(dǎo)致細(xì)胞中含有的極性物質(zhì)能夠吸收微波能從而釋放出熱量,活性成分釋放到細(xì)胞外溶劑中。由于加熱效率高,可以廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物中活性成分的快速提取[22]。葉禮卉[17]采用微波輔助法從菊芋葉片中提取總黃酮,最佳工藝條件為提取溫度60 ℃,微波功率300 W,提取時(shí)間0.5 h,乙醇體積分?jǐn)?shù)50%,總黃酮得率為12.89%。超聲波輔助提取通過(guò)超聲波中的機(jī)械效應(yīng)可以加速內(nèi)部擴(kuò)散,使更多溶劑滲透到樣品基質(zhì)中,此外,超聲誘導(dǎo)的空化過(guò)程能夠有效破壞生物細(xì)胞壁,以促進(jìn)內(nèi)容物的釋放[23]。馬劍等[18]應(yīng)用超聲波輔助從菊芋葉中提取多酚,通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),在超聲波功率為500 W、處理時(shí)間50 min、料液比1∶20(g∶mL),乙醇體積分?jǐn)?shù)50%條件下,多酚得率為31.923 mg/g。與熱水提取的傳統(tǒng)提取方法相比,超聲輔助提取可以在更短的提取時(shí)間內(nèi)得到更高的多酚產(chǎn)量,克服了以往的傳統(tǒng)提取工藝耗時(shí)長(zhǎng)、溶劑用量大的主要限制。而且由于提取溫度較低,所提取的產(chǎn)品能夠保留更高的生物活性。

除上述提取方法外,近年來(lái)新興了一種技術(shù)——超臨界流體萃取,通過(guò)使用超臨界流體,通常是CO2氣體,從固體甚至液體材料中提取活性成分。由于超臨界流體相對(duì)于液體的擴(kuò)散速度更為快速,且黏度更低,因此對(duì)于相同的提取過(guò)程,超臨界流體萃取的時(shí)間更短。具有降低能耗、低溫操作、溶劑相無(wú)溶質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),在菊芋葉片提取活性物質(zhì)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。OSTOLSKI等[19]采用超臨界流體萃取技術(shù)從菊芋葉片中提取多酚化合物,通過(guò)對(duì)比超臨界CO2萃取和以水為輔助溶劑的超臨界CO2萃取的提取效果,發(fā)現(xiàn)在40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水為輔助溶劑,萃取溫度40 ℃,壓力33 MPa的工藝條件下,總多酚得率最高達(dá)27.57 mg/g。水作為助溶劑可以改變混合物的極性,從而提高極性多酚化合物的提取效率。該研究為進(jìn)一步開發(fā)用于從菊芋等生物質(zhì)中提取多酚的超臨界CO2萃取技術(shù)提供了可能性。

3 菊芋秸稈高值化利用研究進(jìn)展

3.1 菊芋秸稈的生物組成

菊芋秸稈是菊芋生物質(zhì)資源的重要組成部分,同時(shí)也是一種重要的木質(zhì)纖維素資源。菊芋秸稈的細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠構(gòu)成[24]。纖維素是由β-1,4-D-吡喃葡萄糖單元組成的線性鏈狀多聚物[25],不溶于水、乙醇等。葡萄糖單元形成的分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用,促進(jìn)了纖維素的聚集,導(dǎo)致纖維素聚合度不同,并導(dǎo)致其具有結(jié)晶和無(wú)定形結(jié)構(gòu)域的超分子結(jié)構(gòu)。半纖維素是由戊糖和己糖(主要是木糖和甘露糖)組成的多聚糖,這些雜聚糖相互連接,經(jīng)常具有分支和取代基。由于半纖維素?zé)o定形結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其熱穩(wěn)定較差。木質(zhì)素是一種由苯基丙烷類單體經(jīng)不同程度甲氧基化作用而合成的非規(guī)則多酚類生物聚合物。一般認(rèn)為,植物細(xì)胞壁的微結(jié)構(gòu)是木質(zhì)素和多糖緊密結(jié)合的基質(zhì)[26]。從生物精煉的角度來(lái)看,纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的選擇性分離是生產(chǎn)增值生物分子的必要條件。

3.2 菊芋秸稈的生物轉(zhuǎn)化路線

3.2.1 菊芋秸稈的預(yù)處理

菊芋秸稈的生物轉(zhuǎn)化主要是基于利用纖維素和半纖維素,為了將其轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖,首先需要進(jìn)行預(yù)處理操作。預(yù)處理的目的是打破半纖維和木質(zhì)素的屏障作用,提高降解酶和底物之間的可及性以及水解步驟中游離糖的總收率,增加生物產(chǎn)量。菊芋秸稈木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法主要包括物理法、化學(xué)法、生物法。表2總結(jié)了近年來(lái)菊芋秸稈的預(yù)處理方法及酶解效果。

表2 菊芋秸稈的不同預(yù)處理方法對(duì)比Table 2 Comparison of different pretreatment methods of Jerusalem artichoke stalks

物理預(yù)處理是最基礎(chǔ)的預(yù)處理方法,通過(guò)采用超聲波、磨碎、擠壓和超聲波等機(jī)械的方法,使菊芋秸稈粒徑減小,結(jié)晶度和聚合度降低,從而增大木質(zhì)纖維素的可及面積。

生物預(yù)處理是利用微生物對(duì)秸稈原料中木質(zhì)素的降解能力,破壞纖維素和半纖維素之間的連接鍵,從而去除木質(zhì)素,提高水解效果。微生物預(yù)處理方法相較于物理和化學(xué)預(yù)處理具有低能耗和不需要添加化學(xué)試劑的優(yōu)勢(shì)。常用于木質(zhì)纖維素生物預(yù)處理的微生物包括真菌、細(xì)菌、放線菌,其中以真菌預(yù)處理應(yīng)用最為廣泛。葉禮卉[17]利用黑曲霉對(duì)菊芋秸稈進(jìn)行微生物預(yù)處理,利用熱重分析、熱重-傅里葉紅外光譜聯(lián)用分析、裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析等分析結(jié)果表明,黑曲霉預(yù)處理改變了菊芋秸稈木質(zhì)纖維素的成分和熱解行為,提高了處理后的纖維素?zé)峤庑省Ｈ欢?能有效降解木質(zhì)素并同時(shí)回收纖維素的真菌菌株較少,并且尚未在其商業(yè)化應(yīng)用方面取得突破。

3.2.2 基于菊芋秸稈的產(chǎn)品研究進(jìn)展

國(guó)際能源安全和氣候變化的雙重壓力正在鼓勵(lì)生物燃料的發(fā)展。全球能源需求主要通過(guò)煤炭、天然氣和石油等不可再生能源來(lái)滿足。菊芋秸稈生物轉(zhuǎn)化為還原糖生產(chǎn)乙醇、丁醇和甲烷等燃料在生物能源領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

3.2.2.1 生物乙醇

生物乙醇相較于傳統(tǒng)的化石燃料,在環(huán)境和安全方面具有更大的潛力,是一種具有可持續(xù)性的生物能源。一般來(lái)說(shuō),纖維素和半纖維素部分可以通過(guò)不同途徑發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇,對(duì)于生物乙醇的生產(chǎn)過(guò)程,纖維素的酶水解,也稱為糖化,它可以通過(guò)不同的工藝路線進(jìn)行,包括分步糖化發(fā)酵、同步糖化發(fā)酵、聯(lián)合生物加工等[35],其中以前2種技術(shù)應(yīng)用最廣。分步糖化發(fā)酵是將水解和發(fā)酵分開進(jìn)行的兩階段過(guò)程,預(yù)處理的生物質(zhì)首先通過(guò)酶降解為葡萄糖和木糖,然后將這些糖發(fā)酵成乙醇[36],該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是酶水解和發(fā)酵都在各自的最適條件下發(fā)揮作用,缺點(diǎn)在于水解過(guò)程中糖的積累會(huì)有反饋抑制作用,最終影響乙醇產(chǎn)量。同步糖化發(fā)酵是在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行生物質(zhì)的糖化與發(fā)酵的過(guò)程,由于能夠?qū)⒚杆猱a(chǎn)生的葡萄糖迅速轉(zhuǎn)化為乙醇,減少了反應(yīng)過(guò)程中糖的積累,使反饋抑制作用降低,提高了水解效率。相較于分步糖化發(fā)酵,該工藝操作更加簡(jiǎn)便,設(shè)備要求更低,而且反應(yīng)體系中乙醇的生成能夠降低染菌的可能性。然而,由于水解和發(fā)酵的最佳條件不同,難以同時(shí)達(dá)到酶和微生物的最佳工藝參數(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)利用菊芋秸稈發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)路線進(jìn)行了大量研究。LI等[29]用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaOH和4%(體積分?jǐn)?shù))H2O2堿-過(guò)氧化氫方法對(duì)菊芋秸稈進(jìn)行預(yù)處理,進(jìn)而酶解發(fā)酵,結(jié)果表明葡萄糖產(chǎn)量在生物質(zhì)濃度為30%的情況下達(dá)到最大值93.8 g/L,通過(guò)同步糖化發(fā)酵工藝產(chǎn)生55.6 g/L的乙醇,比通過(guò)分步糖化發(fā)酵工藝產(chǎn)生的乙醇高出36.5%。KIM等[32]以預(yù)處理后的菊芋秸稈和塊莖為底物,用馬克斯克魯維酵母(KluyveromycesmarxianusCBS 1555)進(jìn)行了有效的分批和補(bǔ)料分批同步糖化和發(fā)酵,分別獲得了29.1 g/L和70.2 g/L的乙醇。可發(fā)酵糖轉(zhuǎn)換率分別為83.6%和70.8%。這些結(jié)果表明,結(jié)合塊莖和莖部水解物是有效利用菊芋生物質(zhì)發(fā)酵的有效策略。

3.2.2.2 生物丁醇

生物丁醇是一種重要的平臺(tái)化學(xué)品和生物燃料,其具有低揮發(fā)性、低腐蝕性、高能量密度、高熱值等優(yōu)異的燃料特性,在取代不可再生燃料方面越來(lái)越受到關(guān)注,此外,丁醇作為各種工業(yè)的化學(xué)替代品也有需求。因此,許多研究人員考慮合適的原料和生物工藝技術(shù),以低成本生產(chǎn)生物丁醇。近年來(lái),從木質(zhì)纖維素生物質(zhì)到丙酮-丁醇-乙醇(acetone-butanol-ethanol,ABE)發(fā)酵的生物丁醇生產(chǎn),由于其可持續(xù)供應(yīng)以及作為植物的非食用部分,不和食品供應(yīng)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),而在全球范圍內(nèi)引起了人們的廣泛興趣,這一過(guò)程主要由細(xì)菌乙酰丁酸梭狀芽胞桿菌進(jìn)行。XUE等[37]首先將菊芋秸稈用于生物丁醇生產(chǎn),研究了堿-過(guò)氧化氫預(yù)處理與水洗中和相結(jié)合的策略,可以有效提高酶的效率和丁醇產(chǎn)量,在最佳條件下可生產(chǎn)11.8 g/L丁醇。此外,在水洗過(guò)程中可以節(jié)省超過(guò)64%的水,丁醇產(chǎn)量增加了31.1%。汽化滲透工藝的丁醇產(chǎn)量高于傳統(tǒng)的滲透汽化工藝,更適用于ABE發(fā)酵的產(chǎn)品回收,在冷凝液中產(chǎn)生323.4～348.7 g/L丁醇(542.7～594.0 g/L ABE)。為利用菊芋秸稈生物質(zhì)高效生產(chǎn)生物丁醇提供了重要的支持和策略。

3.2.2.3 生物甲烷

由微生物厭氧消化產(chǎn)生的沼氣是一種重要的可燃性混合氣體,主要由甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)組成。沼氣可以替代天然氣或?qū)⑵溆米鬟\(yùn)輸燃料,將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物用于沼氣生產(chǎn)既可以處理有機(jī)廢物,改善環(huán)境問(wèn)題,又能產(chǎn)生可再生能源,是一種可持續(xù)進(jìn)程。預(yù)處理技術(shù)和厭氧發(fā)酵模式是限制秸稈高效厭氧發(fā)酵的主要原因,國(guó)內(nèi)外學(xué)者為此做了大量研究。孟艷等[38]研究了不同濃度的HCl和NaOH預(yù)處理對(duì)菊芋秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷特性的影響。結(jié)果表明用HCl降解半纖維素效果最好,為17.26%～31.75%,NaOH降解木質(zhì)素的效果最好,為6.86%～16.87%。0.4 mol/L HCl處理菊芋秸稈獲得了最大的累積甲烷產(chǎn)量,為(229.57±13.77) mL/g,這高于大多數(shù)木質(zhì)纖維素類廢棄物的產(chǎn)甲烷潛力值,且有效縮短了菊芋秸稈的厭氧消化周期,為提高菊芋秸稈資源的綜合利用率提供了理論依據(jù)。

3.2.2.4 2,3-丁二醇

2,3-丁二醇是一種重要的液體燃料和生物基化學(xué)品,可用作溶劑和許多合成聚合物和樹脂的前體。在化學(xué)品、藥品、食品以及化妝品等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的潛在用途。半纖維素和纖維素水解物中常見(jiàn)的所有糖都可以轉(zhuǎn)化為丁二醇,包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖和纖維素。在生物精煉方面,從可再生資源中生產(chǎn)2,3-丁二醇的微生物正在引起更多的關(guān)注。LI等[39]研究了由肺炎克雷伯菌(KlebsiellapneumoniaeCICC 10011)發(fā)酵菊芋秸稈與塊莖轉(zhuǎn)化成高價(jià)值的2,3-丁二醇。采用分段通氣策略進(jìn)行補(bǔ)料分批糖化發(fā)酵,68 h得到901.2 mmol/L(80.5 g/L)目標(biāo)產(chǎn)物(2,3-丁二醇和乙酰酮)。目標(biāo)產(chǎn)物的濃度、產(chǎn)量和生產(chǎn)率分別為16.9%、16.8%和23.4%,結(jié)果表明將糖原料與木質(zhì)纖維素水解物結(jié)合,可以使還原糖的濃度大大提高,是一種增加菊芋發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的有效策略。

4 菊芋塊莖高值化利用研究進(jìn)展

菊芋塊莖是菊芋全株的主要生物質(zhì)部分,與其他以淀粉為主要碳水化合物的植物不同,菊芋塊莖中富含菊粉、蛋白質(zhì)和其他生物活性成分,被譽(yù)為膳食纖維的良好來(lái)源。傳統(tǒng)上,菊芋塊莖主要用于食用,烹飪、腌制醬菜、加工菊芋脯等,附加價(jià)值低。近二十年來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,國(guó)內(nèi)外廣泛探索了菊芋塊莖在食品行業(yè)、生物燃料、醫(yī)學(xué)制藥等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

4.1 食品行業(yè)

菊芋塊莖中的菊粉占?jí)K莖總糖含量的80%,菊粉作為益生元可以調(diào)節(jié)腸道微生物菌群,改善腸道環(huán)境,這些生物活性已被廣泛研究證明[40-41]。研究發(fā)現(xiàn)菊粉的聚合度和貯存條件對(duì)其益生元作用有影響,聚合度較低的菊粉具有更高的活性[42]。菊粉可以作為甜味劑、脂肪替代品等用于食品中,用來(lái)替代乳制品、肉制品和烘焙食品中的脂肪、糖和面粉,增加膳食纖維含量的同時(shí)提高了產(chǎn)品的感官品質(zhì)。RADOVANOVIC等[43]開發(fā)了富含菊芋粉的小麥面包,結(jié)果顯示添加25%菊芋粉制成的面包具有最佳的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和熱值以及低血糖指數(shù)。胡雅婕等[44]人從菊芋中提取菊粉,將其應(yīng)用于饅頭食品中,結(jié)果表明適量的菊粉添加能夠使饅頭的質(zhì)構(gòu)和感官品質(zhì)得到改善,菊粉最佳添加量為8%。

4.2 生物制品

菊芋是目前公認(rèn)的一種新興能源作物,用富含菊粉的菊芋塊莖可生產(chǎn)不同的微生物產(chǎn)品,如生物乙醇、生物柴油、乳酸、2,3-丁二醇等,詳見(jiàn)表3。菊粉提取物首先通過(guò)酸或酶水解為可發(fā)酵糖,然后利用酵母及其他真菌和細(xì)菌等進(jìn)行發(fā)酵。菊芋塊莖的乙醇產(chǎn)量相當(dāng)于從甘蔗中獲得的乙醇產(chǎn)量,是玉米產(chǎn)量的2倍。WANG等[45]構(gòu)建了一種用于菊粉乙醇發(fā)酵的天然酵母菌株,在最終的二倍體菌株JZD-InuMKCP實(shí)現(xiàn)了菊粉和菊芋塊莖的高效乙醇發(fā)酵,用200 g/L菊粉和250 g/L的菊芋塊莖粉進(jìn)行乙醇發(fā)酵,生產(chǎn)率分別為2.44 g/(L·h)和3.13 g/(L·h)。ZHAO等[46]研究了使用圓紅冬孢酵母菌(RhodosporidiumtoruloidesY4)從菊芋塊莖中生產(chǎn)脂質(zhì)的情況,以菊芋水解物為底物發(fā)酵時(shí),獲得了39.6 g/L的脂質(zhì)滴度和56.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的細(xì)胞脂質(zhì)含量。結(jié)果表明,菊芋塊莖作為大規(guī)模微生物脂質(zhì)生產(chǎn)的原料是可行的。CHOI等[47]開發(fā)了一種利用菊芋塊莖發(fā)酵生產(chǎn)乳酸的高效生物工藝,研究發(fā)現(xiàn)副干酪乳桿菌(LactobacillusparacaseiKCTC 13169)對(duì)菊芋塊莖的發(fā)酵效率高于其他乳桿菌,無(wú)需在發(fā)酵前進(jìn)行酸性或酶水解。以菊芋提取液為原料,在含糖量為111.6 g/L的條件下直接發(fā)酵生產(chǎn)92.5 g/L的乳酸,菊粉轉(zhuǎn)化為乳酸的效率達(dá)到理論產(chǎn)率的98%。上述研究表明,菊芋具有作為生物能源原料的巨大潛力。

表3 菊芋塊莖生物精制產(chǎn)品Table 3 Biological refinery products from Jerusalem artichoke tubers

4.3 醫(yī)學(xué)與制藥

菊芋塊莖中含有豐富的抗真菌、抗癌和抗氧化的成分,主要包括菊粉、蛋白質(zhì)、粗纖維和礦物質(zhì)等[58]。塊莖中的蛋白質(zhì)含量一般為1%～2%,并富含所有必需氨基酸,從塊莖中分離出的蛋白質(zhì)具有抗癌特性[59]。礦物質(zhì)含量約為菊芋塊莖干重的1.2%,鐵、鈣和鉀的含量尤為豐富,具有補(bǔ)血、保護(hù)心血管、增強(qiáng)人體免疫力等功能[60]。菊芋也是天然抗氧化劑的良好來(lái)源。據(jù)報(bào)道,菊芋塊莖提取物富含酚類和黃酮類化合物,具有良好的自由基清除能力,可以減緩多糖分解速度,降低血糖水平,有體外抗氧化、促進(jìn)傷口愈合和抗糖尿病等重要作用[61]。菊芋塊莖的高值化利用主要基于塊莖中提取的菊粉,菊粉在調(diào)節(jié)腸道特性、血液代謝物和肝酶方面發(fā)揮著巨大作用[59],使得菊芋在醫(yī)學(xué)和制藥業(yè)具有多種用途。YU等[62]研究了菊芋菊粉對(duì)高脂飲食(high-fat diet,HFD)喂養(yǎng)小鼠高脂血癥和腸道菌群的影響。菊粉降低了肝臟甘油三酯和總膽固醇水平,高脂血癥小鼠的肝臟超氧化物歧化酶活性增加,肝臟丙二醛水平降低。同時(shí)改善了腸道菌群,顯著增加了HFD喂養(yǎng)的小鼠腸道中雙歧桿菌的數(shù)量。因此,菊粉是預(yù)防和治療高脂血癥的潛在有效成分。SHAO等[63]研究了硫酸鹽修飾的菊芋菊粉的生物活性,通過(guò)細(xì)胞活力檢測(cè)法測(cè)定評(píng)估菊芋多糖的硫酸化衍生物(sulfated derivative,S-JAP)對(duì)人肝細(xì)胞癌(HepG2)細(xì)胞增殖的抑制作用,結(jié)果顯示染色后不同濃度的S-JAP對(duì)HepG2細(xì)胞的抑制率均顯著高于純化的菊芋多糖。此外,S-JAP成功地促進(jìn)了細(xì)胞凋亡。因此,從菊芋塊莖中提取的硫酸鹽修飾多糖被證明具有有效的抗腫瘤活性,具有進(jìn)一步應(yīng)用的潛力。此外,KANG等[64]發(fā)現(xiàn)通過(guò)局部給藥菊芋塊莖菊粉可以減輕局部小鼠模型中的特應(yīng)性皮炎癥狀。因此,菊芋產(chǎn)品可被視為皮膚過(guò)敏性炎癥性疾病的潛在治療劑或補(bǔ)充劑?？固悄虿∽饔靡彩蔷沼髩K莖菊粉常被描述的另一個(gè)有益特性。WANG等[65]報(bào)道了用菊芋塊莖菊粉通過(guò)修復(fù)由鏈脲佐菌素引起的肝損傷治療糖尿病大鼠,在緩解糖尿病癥狀方面具有積極作用,此外,作者觀察到菊芋塊莖菊粉通過(guò)植物乳桿菌發(fā)酵對(duì)α-葡萄糖苷酶活性的抑制作用增加。因此,菊芋塊莖菊粉可以作為調(diào)節(jié)血糖藥物的添加劑。

5 總結(jié)與展望

菊芋作為一種非糧能源作物,具有栽培投入低、作物產(chǎn)量高和廣泛適應(yīng)氣候和土壤條件的優(yōu)勢(shì),適合在我國(guó)的灘涂、鹽堿地等地區(qū)種植,起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。同時(shí),菊芋是生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)有前途的生物質(zhì),既能作為生物活性成分來(lái)源,也是生物燃料生產(chǎn)的可持續(xù)原料。本文對(duì)菊芋全株包括葉片、莖稈、塊莖已經(jīng)進(jìn)行的大量研究進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為研發(fā)探索適用于菊芋全株的加工方法,提高菊芋資源的利用率,生產(chǎn)種類豐富且附加值高的菊芋相關(guān)產(chǎn)品,是未來(lái)實(shí)現(xiàn)菊芋高值化綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)。

為使菊芋的綜合利用在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上更具有可行性,進(jìn)一步的研究工作可以集中在以下5個(gè)方面：a)優(yōu)選菊芋品種,優(yōu)化種植技術(shù),以提高作物產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本;b)深入研究菊芋葉片酚酸類、黃酮類、萜類等生物活性物質(zhì)的作用機(jī)理,分析鑒定各成分結(jié)構(gòu)與其功能的關(guān)系,在保留生物活性的基礎(chǔ)上選用最適提取分離方法,以及多種提取技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用提高得率;c)高效的預(yù)處理技術(shù)是菊芋莖稈轉(zhuǎn)化為生物燃料的關(guān)鍵,探索不同預(yù)處理方法之間的協(xié)同作用,減少反應(yīng)抑制物,利用半纖維素酶、果膠酶等混合酶進(jìn)行組合優(yōu)化開發(fā)更有效的預(yù)處理方法;d)加強(qiáng)菊芋相關(guān)產(chǎn)品發(fā)酵工藝的優(yōu)化,篩選開發(fā)高效發(fā)酵菌株和具有高活性和穩(wěn)定性的酶,改進(jìn)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì),促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中菊芋精煉產(chǎn)品的生產(chǎn)效率;e)完善菊芋相關(guān)產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),改進(jìn)菊芋塊莖貯存問(wèn)題,規(guī)范菊芋加工流程,重視副產(chǎn)物的再次利用,提高菊芋全株利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。